■ 姜廣順 趙豐 王韋 / 軍藍(lán)科技集團總公司

0 引言

多通道信號處理組合作為某引進武器裝備搜索接收機的目標(biāo)信號通道,裝機數(shù)量多,故障率高,備件消耗量大。外方的售后服務(wù)保障期為交裝后的1.5年,保障期后我方主要采取對外采購備件的供應(yīng)保障模式。外方對我備件采購價格抱較高期望,加之其武器出口公司的壟斷性質(zhì),不僅談判越來越困難,而且價格逐年上漲。對外備件采購從談判到收貨的周期一般在1年以上,訂貨周期長；隨著裝備的更新?lián)Q代,備件供應(yīng)沒有可靠保證,且部分備件已經(jīng)停產(chǎn)。為保證引進裝備的正常使用要求,充分發(fā)揮其作戰(zhàn)效能,必須開展備件的國產(chǎn)化研究[1]。因此,在剖析多通道信號處理組合的組成和工作原理的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)其國產(chǎn)化。

圖1 原多通道信號處理組合結(jié)構(gòu)框圖

1 原多通道信號處理組合的組成及工作原理

多通道信號處理組合用于對目標(biāo)反射信號進行相關(guān)濾波處理和相參積累,并對其進行時間和頻率選擇,從接收的信號中分離出由動目標(biāo)反射的信號,抑制地物和云雨反射回來的無源干擾信號[2]。該組合由3個距離通道、帶阻濾波器、速度選擇/濾波/中頻積分器、同步控制、集中選擇濾波及輸出級、電子開關(guān)模塊等組成,結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

第一中頻f1中頻的目標(biāo)反射信號送到距離選擇通道,與被距離選擇脈沖調(diào)制的第二本振信號f2本振進行混頻,降低目標(biāo)反射信號頻率,輸出第二中頻f2中頻,同時實施距離選擇。只有當(dāng)目標(biāo)反射信號脈沖與第二本振信號f2本振重合時,才有信號輸出。輸出信號進入帶阻濾波器,濾除地物和無源干擾產(chǎn)生的多普勒頻移。帶阻濾波器的輸出信號進入速度選擇電路,與第三本振信號f3本振混頻,進一步降低目標(biāo)反射信號頻率。同時還進行目標(biāo)反射信號的多普勒頻率補償,使目標(biāo)信號通過額定頻率的速度中心通道。輸出信號進入集中選擇濾波器濾波；當(dāng)允許積分脈沖加到積分器時,進行信號的相參積累。中頻積分器的輸出端與一級詢問電子開關(guān)相連接,當(dāng)允許積分脈沖結(jié)束時,距離通道的所有中頻積分器在1μs時間內(nèi)放電,為下次探測做準(zhǔn)備。經(jīng)過二級詢問電子開關(guān)后,3個距離通道第六中頻的目標(biāo)積累信號在相加器內(nèi)相加,形成壓縮的目標(biāo)信號,輸出至下一級設(shè)備。

圖2 國產(chǎn)化多通道信號處理組合的組成結(jié)構(gòu)框圖

圖3 帶阻濾波器單元原理框圖

2 國產(chǎn)化多通道信號處理組合的硬件設(shè)計

引進裝備為20世紀(jì)八九十年代的產(chǎn)品,獨特的設(shè)計思想使其在性能指標(biāo)和作戰(zhàn)效能等方面處于世界領(lǐng)先水平。但由于裝備生產(chǎn)國微電子技術(shù)水平較低,因此該產(chǎn)品的數(shù)字電路和計算機技術(shù)水平不高。武器裝備中很多中低頻電路不得不仍采用模擬電路甚至分立元件電路,同時配合小規(guī)模數(shù)字集成電路和微處理器,才能完成很多復(fù)雜的控制任務(wù)。例如,接收機中采用的中頻相參積累,沒有用數(shù)字技術(shù),而是用較簡單的模擬電路—中頻積分器來完成,系統(tǒng)集成度低,故障率高。顯然,在現(xiàn)有技術(shù)條件下,該產(chǎn)品的國產(chǎn)化不可能走器件級代換的技術(shù)路線,必須基于逆向工程方法,對原多通道信號處理組合進行全面、系統(tǒng)的測試、測繪和反設(shè)計,利用國內(nèi)先進技術(shù)和工藝進行功能替代,以提升國產(chǎn)化產(chǎn)品的可靠性和維修性水平。

2.1 國產(chǎn)化多通道信號處理組合的硬件組成

國產(chǎn)化多通道信號處理組合由功能模塊、總線背板、供電電源模塊和組合框架等組成,其中,功能模塊包括帶阻濾波器模塊、信號調(diào)理模塊、信號處理模塊,其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

1） 帶阻濾波器模塊

為保證國產(chǎn)化組合的整體性能及功能與原組合相同,混頻器單元內(nèi)部模塊與原組合內(nèi)部構(gòu)造基本保持一致,采用集成寬帶隔離放大器作為輸入信號和本振信號的緩沖器,使輸入信號和第二本振信號在混頻器中混頻、濾波,通過可調(diào)增益放大器對濾波后信號進行增益調(diào)整。帶阻濾波器濾去多普勒頻率范圍在-2kHz～+2kHz之間的目標(biāo)反射信號,消除地物干擾和無源干擾等。帶阻濾波器單元原理框圖如圖3所示。

2） 信號調(diào)理模塊

信號調(diào)理模塊用于解析控制信號,產(chǎn)生時序信號,倍頻基準(zhǔn)頻率。

基準(zhǔn)頻率倍頻功能能夠?qū)斎氲幕鶞?zhǔn)頻率信號進行倍頻,實現(xiàn)基準(zhǔn)頻率信號的4倍頻,可對輸出信號進行幅值調(diào)整,將信號輸出到帶阻濾波器,滿足與第一中頻進行混頻的要求。解析控制信號與產(chǎn)生時序信號功能,對控制信號進行譯碼解析,形成新的控制信號,并判斷工作模式。信號調(diào)理模塊接收前一級設(shè)備的控制信號,通過譯碼電路形成組合工作的控制及同步信號。組合輸入的信號有信息脈沖1和信息脈沖2,距離選擇脈沖1、2、3,以及置零脈沖。

信息脈沖1由2個脈沖組成：脈沖串包絡(luò)脈沖和濾波器詢問起始脈沖。信息脈沖1通過脈沖分配器將2路脈沖信號分離出來。信息脈沖2包括19串脈沖,該脈沖串輸入到5個串聯(lián)分配器中,用于形成3串移位脈沖,通過濾波詢問開始工作脈沖與信息2信號形成一級詢問脈沖。信息1和詢問脈沖形成允許積分脈沖,控制中頻積分器的工作。

3） 信號處理模塊

信號處理模塊完成數(shù)模變換和數(shù)字信號處理。

數(shù)模變換功能：對輸入的f2中頻信號采樣,使中頻信號數(shù)字化,對數(shù)字中頻信號進行下變頻處理和數(shù)字濾波處理,使其滿足FFT變換要求；將經(jīng)過數(shù)字信號處理和中頻處理后的信號進行D/A變換,通過DAC解碼器播放DDS頻率合成器輸出的數(shù)據(jù),形成模擬信號。模擬信號經(jīng)過可調(diào)放大器,形成f6中頻。

數(shù)字信號處理功能：對數(shù)字下變頻后的中頻信號進行距離選通,實現(xiàn)3個通道中的信號選擇。在每個距離通道上對中頻信號進行FFT運算,得到N/2個頻譜,送往數(shù)字濾波器進行卷積運算,壓低頻譜旁瓣成分。經(jīng)過上述變換后,頻譜數(shù)據(jù)為復(fù)數(shù)形式,由于信號中頻處理過程僅對頻譜中的幅度參量感興趣,因此數(shù)字濾波器輸出的頻譜數(shù)據(jù)要進行求模運算,得出的復(fù)數(shù)譜的模為信號的幅度頻譜。通過濾波器組選取,選出18個幅度頻譜,進行速度通道的濾波；將選出的數(shù)據(jù)通過一級詢問脈沖對18路信號進行合并疊加,形成一個距離通道的中頻積累數(shù)據(jù),將3個距離通道的f6中頻目標(biāo)積累信號通過二級詢問脈沖疊加,形成壓縮的目標(biāo)信號,發(fā)送給下一級設(shè)備。

2.2 國產(chǎn)化組合設(shè)計中需解決的主要問題

多通道信號處理組合在高重復(fù)頻率脈沖串狀態(tài)下工作,分10kHz、100kHz兩種狀態(tài)。中頻積分模塊和混頻器模塊進行10kHz和100kHz兩種工作狀態(tài)下的中頻信號處理,完成3D（D距離通道）×18V（V速度通道）搜索通道矩陣處理。信號處理過程包括數(shù)據(jù)采集和相參積累。

1） 數(shù)據(jù)采集

由FMC采集子卡上的ADC16DV160芯片完成對中頻輸入信號f2中頻的采樣,AD采樣時鐘由輸入基準(zhǔn)頻率信號f0經(jīng)4倍頻產(chǎn)生。采樣范圍由信號調(diào)理子卡輸入控制信號中的距離選擇脈沖1、2、3邏輯運算產(chǎn)生。采樣數(shù)據(jù)通過FMC總線傳給信號處理載板上的FPGA。采樣數(shù)據(jù)由信號處理載板上的GC5016芯片完成數(shù)字下變頻,下變頻模式通過距離選擇脈沖1和探測起始脈沖確定。同時,探測起始脈沖作為GC5016的系統(tǒng)復(fù)位信號,使GC5016輸出信號同步到系統(tǒng)發(fā)射基準(zhǔn)上。信號處理DSP芯片采用中斷方式接收數(shù)字下變頻后的數(shù)據(jù),并完成相參積累。

2） 中頻信號積累的實現(xiàn)

中頻信號積累是組合信號處理過程中的關(guān)鍵技術(shù)。在原組合中,采用中頻積分模塊對混頻以后的信號進行積分運算,它實際上是一個高Q值的石英晶體振蕩器,調(diào)諧在某一固定的頻率如f10上,振蕩器在輸入中頻信號的激勵下工作。當(dāng)輸入信號頻率與振蕩器本身的調(diào)諧頻率相同或相近時,振蕩器工作,輸出頻率為f10的中頻振蕩信號。當(dāng)有輸入信號時,振蕩器進行增幅振蕩,增幅的快慢與輸入信號的頻率有關(guān),頻率差越小,增幅越快。因此,在脈沖持續(xù)期間振蕩器輸出信號的幅度以類似積分的形式增大,增幅振蕩的持續(xù)時間等于輸入信號的脈寬,脈沖寬度越大,信號幅度也就越大。當(dāng)沒有信號時,也就是在脈沖間歇期,振蕩器做減幅振蕩,由于阻尼系數(shù)很小,響應(yīng)時間很長,約為3ms,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于脈沖周期,故此時可以看作是等幅振蕩。下一個脈沖到來時,其輸出振蕩幅度進一步增大,這樣中頻積分器依次對各輸入中頻脈沖進行積累,輸出一個與輸入信號幅度、頻率及脈沖寬度有關(guān)的中頻振蕩信號。

原組合中的中頻積分模塊采用中頻積分放大器和晶體組合進行信號積累。經(jīng)調(diào)研,國內(nèi)專業(yè)廠家的晶體濾波器信號積累性能指標(biāo)難以達到使用要求。因此,國產(chǎn)化組合采用數(shù)字接收機中FFT技術(shù)實現(xiàn)信號的相參積累。采用數(shù)字FFT進行信號積累對提高信號信噪比的效果是相同的,兩者對N個信號脈沖進行信號積累,對信號的信噪比均提高了NdB。

3 性能測試

在專用檢測臺上,對國產(chǎn)化多通道信號處理組合與原多通道信號處理組合進行了性能對比測試,如表1所示。測試結(jié)果表明,國產(chǎn)化多通道信號處理組合的輸入信號動態(tài)范圍、覆蓋的多普勒頻率范圍、目標(biāo)速度分辨精度、噪聲抑制比等主要指標(biāo)均優(yōu)于原組合。

表1 國產(chǎn)化多通道信號處理組合與原多通道信號處理組合性能指標(biāo)對比

4 結(jié)束語

通過相關(guān)試驗和實裝對接試用,驗證了國產(chǎn)化多通道信號處理組合產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性、可靠性以及與武器系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、匹配性。目前,該產(chǎn)品已用于工廠裝備修理和部隊裝備的維護保障,能夠滿足引進裝備的正常使用要求,使用維護簡單、方便,可靠性高[3]。

組合級備件的研制成功,對如何在缺少設(shè)計資料的情況下,在通過系統(tǒng)反設(shè)計和在不同工作狀態(tài)下的激勵響應(yīng)信息反推解算出被測仿件的設(shè)計需求等方面進行了有益的嘗試,可供其他開展引進設(shè)備國產(chǎn)化工作的單位和技術(shù)人員參考。

[1] 姜廣順,楊召甫. 引進裝備水平檢測儀的國產(chǎn)化研究[J]. 航空維修與工程,2016 (8)：54-56.

[2] 某裝備技術(shù)說明書 第2部分 搜索接收機[Z].

[3] 姜廣順,楊召甫,王韋. 自主供電系統(tǒng)整流裝置的國產(chǎn)化改造[J]. 航空維修與工程,2016 (12)：55-56.